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Die Entwicklung kosteneffektiver Offshore Gründungsstrukturen ist notwendig, um die “Energiewende” erfolgreich voranzutreiben. Aufgezeigt wird, wie im Rahmen des BIONA-Projekts “Offshore Foundation nach dem Verfahren ELiSE” eine gewichtsoptimierte Gründungsstruktur einer Offshore Windenergieanlage mithilfe des Verfahrens “Evolutionary Light Structure Engineering” (ELiSE) entwickelt wurde. Dazu schlossen sich die Unternehmen WeserWind GmbH, RLE International GmbH und das Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung zusammen, um mit den vorhandenen Kompetenzen in den Bereichen Strukturleichtbau, Produktionsplanung und Finite-Elemente-Simulationen eine neuartige Gründungsstruktur zu konzipieren. Den Ausgangspunkt für die Neuentwicklung bildeten die Geometrien von Planktonorganismen, deren Prinzipien neue Strukturlösungen lieferten.
Technisches Ziel des Projekts war es, durch die Nutzung von biologischen Bauprinzipien eine Gründungsstruktur beispielhaft für eine 5-MW-Anlage zu entwickeln, die gegenüber den bisher genutzten Bauten eine signifikante Verbesserung insbesondere bezüglich Materialeinsatz, aber auch hinsichtlich Fertigung und Montage bei mindestens gleicher Tragfähigkeit aufweist.
Wissenschaftliches Ziel waren Einsatz und Erweiterung des bionischen Leichtbau- und Optimierungsverfahrens ELiSE, um einen neuen Weg zur Entwicklung radikal verbesserter Leichtbaukonstruktionen zu untersuchen.
Durch die Anwendung des ELiSE-Verfahrens konnten die Prinzipien der Natur extrahiert und für die Entwicklung einer neuartigen, leichten und potentiell kostengünstigen Gründungsstruktur erfolgreich eingesetzt werden. Exemplarisch soll indiesem Artikel dargestellt werden, welche Schritte unternommen wurden, um die Zielsetzungen des Projekts zu verwirklichen.

Offshore foundation with the method ELiSE
The development of cost-effective structures for new offshore foundations is an important factor to advance the “Energiewende”. Within the BIONA-project “Offshore Foundation with the method ELiSE”, it is shown how the structure of a foundation of an offshore wind energy plant was developed and optimized in weight by using the method “Evolutionary Light Structure Engineering” (ELiSE). The companies WeserWind GmbH, RLE International GmbH and the Alfred Wegener Institute Helmholtz Centre for Polar and Marine Research came together to design a new lightweight structure using their existing expertise in the areas of structural lightweight design, production planning and finite element simulations. The new development in the field of lightweight design is based on the stable and yet light shells of planktonic organisms which served as archetype for the technical design process.
The project had two main goals: the development of a foundation for a 5-MW wind energy plant for the offshore application in deeper waters by using principles from nature was the technical objective of the project. The design of the foundation had to be characterized by efficient material usage, good manufacturability and economic aspects. In addition, the load capacity of the structure had to stay at least at the same level of traditional design solutions.
The scientific objective was the usage of the bionic lightweight method ELiSE to investigate a new way of developing radically improved lightweight constructions.
By applying ELiSE, lightweight principles were successfully identified in the biological archetypes and transferred to a technical solution. As a result, a new offshore foundation was designed which can be characterized by both lightweight and cost-effectiveness. In this article, the necessary steps of the development of this bionic offshore foundation are exemplarily demonstrated.

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Im Rahmen des durch die ÖBB-Infrastruktur AG initiierten Forschungsprojekts im Zuge der Errichtung einer Straßenbrücke beim Neubau des Semmering-Basistunnels in Österreich wurden umfangreiche Langzeitmessungen des tatsächlichen Bauwerksverhaltens ab Herstellung einer Brücke im Jahr 2014 durchgeführt. Bei der vorliegenden Brücke handelt es sich um eine integrale vorgespannte Rahmenbrücke mit Betongelenken. Bei der Errichtung der Brücke wurden zur Langzeitmessung der Verformungen, Verdrehungen, Temperaturänderungen und Erddruckspannungen unterschiedliche Messsensoren sowohl innerhalb der Betonquerschnitte vor Betonage als auch an der Oberfläche der Betontragstruktur installiert. Die Messungen laufen nun seit der Errichtung der Brücke im Jahr 2014 bzw. der Absenkung des Lehrgerüsts über einen Zeitraum von acht Jahren permanent und stellen damit eine umfassende Grundlage zur Gegenüberstellung von Messung, numerischer Simulation und ingenieurpraktischen Ansätzen auf der Einwirkungs- und Widerstandseite dar. Im vorliegenden Beitrag wird die Konstruktion der Brücke einschließlich Herstellungsmethode und Installation der Messtechnik beschrieben. Über den Zeitraum von acht Jahren werden die Messergebnisse in ihrer Gesamtheit sowie auch in einzelnen ausgewählten Detailmessperioden dargestellt und den rechnerisch ermittelten Werten gegenübergestellt. Weiterhin erfolgt auch eine Gegenüberstellung der Ergebnisse der numerischen Simulationen der Betongelenke mit den in situ gemessenen Verformungen und analytisch errechneten Beanspruchungen. Die Ergebnisse über den Messzeitraum zeigen ein sehr träges Temperaturverhalten und sehr geringe Verdrehungen an den Betongelenken. Des Weiteren sind anhand der Messergebnisse zeitabhängige Verformungen des Betons deutlich erkennbar.

Long-Term Measurements of a Post-tensioned Integral Frame Bridge with Reinforced Concrete Hinges - Comparison of Measurement Results with numerical Simulations - an Observation after 8 Years of Monitoring
As part of the research project, initiated by ÖBB-Infrastruktur AG, the construction of a road bridge within the project Semmering Base Tunnel in Austria with extensive long-term measurements were carried out from the beginning of the construction works of the bridge in 2014 up to now. The bridge structure consists of an integral prestressed frame bridge with concrete hinges. During the construction of the bridge, monitoring sensors were installed both in the concrete structure before concreting and on the surface of the structure in order to measure deformations, strains, temperature changes and earth pressure stresses. The measurements have now been running for a period of 8 years since the construction of the bridge and the lowering of the formwork. In this context, extensive measurements within an other project were also made and investigations of temperature stresses on bridges as well as laboratory and large-scale tests on reinforced concrete hinges. The present article describes the construction of the bridge including the erection method and the installation of the monitoring and sensor technology. Over a period of 8 years, the measurement results are presented in the overview as well as in the detailed measurement periods and compared to the calculated approaches. Furthermore, the results of numerical simulations of the concrete hinges were compared with deformations measured in-situ. The results show a very slow temperature respone due to change of air temperature and small rotations of the concrete hinge. Furthermore, the long-time deformations of the concrete structure can be clearly identified in the results.

Infraleichtbeton ist nun - nach zehn Jahren Forschung an der TU Berlin und einem ersten Haus, das sich seit zehn Jahren bewährt - reif für die Praxis. Die Risiken, die er wie jede Neuerung mit sich bringt, sind jetzt überschaubar. Für diejenigen, die diesen Hochleistungsbeton als tragende Wärmedämmung einsetzen oder weiter erforschen wollen, ist in diesem Beitrag zuerst das Wichtigste zu solchen sehr leichten Betonen, die Sichtbetonbau praktisch ohne zusätzliche Dämmmaßnahmen ermöglichen, zusammengefasst. Die weiteren Ergebnisse der bisherigen Forschung der Autoren und laufende Untersuchungen werden danach ausführlich vorgestellt. Die werkstoffgerechte Durchbildung konstruktiver Details und das gestalterische Potenzial solch neuartiger Betone wird ebenso besprochen wie die für die Umsetzung bisher noch nötige Zustimmung im Einzelfall (ZiE) für Infraleichtbeton. Zum Schluss werden die wenigen bisher gebauten und gerade in Planung befindlichen Gebäude aus Infraleichtbeton vorgestellt.

Infra-Lightweight Concrete: Ready for practice
After ten years of research at the TU Berlin and a first house, which has proved successful for ten years, Infra-Lightweight Concrete is now ready for practice. The risks that any innovation takes are now manageable. For those who want to use or further explore this high-performance concrete as a load-bearing thermal insulation, this paper first summarizes the most important things about such very light concretes, which allow for fair-faced structures without any additional heat insulation measures. The further results of our recent and ongoing research are presented in detail. The material-compatible development of structural details and the design potential of such new concretes are discussed as well as the project-specific approval in the individual case that is required so far in practice. In the end, the few buildings that have been built until now and are currently being planned are presented.

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Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Kurz zur Vollendung seines 60. Lebensjahres gewidmet
Kopfbolzen werden als Verbundmittel in der Verbundfuge zwischen Stahl und Beton primär auf Schub beansprucht. Folglich wurde zunächst in den Bemessungsregeln eine Zugbeanspruchung der Kopfbolzen nicht explizit berücksichtigt. Im Fall von Konstruktionen mit randnahen Kopfbolzen, wie z. B. im Verbundbrückenbau, werden die Kopfbolzen u. U. zusätzlich auf Zug beansprucht. Für randnahe Kopfbolzen wird in aktuellen Bemessungsregeln ein durch eine Zugbeanspruchung verursachtes mögliches Versagen durch Herausziehen durch Vorgabe von verschiedenen geometrischen Randbedingungen verhindert, sodass rechnerisch teilweise sehr lange Kopfbolzen erforderlich sind, was zu unwirtschaftlichen oder nicht praktikablen Einbindelängen der Kopfbolzen führt. Da inzwischen für die Regelungen der Befestigungstechnik mit DIN EN 1992-4 eine eigene europäische Norm existiert, bezieht sich der kommende Eurocode 4 bei der Bemessung zugbeanspruchter Kopfbolzen in Verbundträgern darauf. Die Befestigungstechnik erlaubt eine direkte Bemessung der Kopfbolzen unter Zugbeanspruchung für verschiedene Versagensarten unter Berücksichtigung des Einflusses der Bewehrung und der Betonfestigkeit. Dieser Idee folgend, wird in diesem Beitrag ein Bemessungsmodell für Kopfbolzen im Verbundbau unter Schub- und zusätzlicher Zugbeanspruchung auf Grundlage von experimentellen und numerischen Untersuchungen unter Einbeziehung neuerer Entwicklungen in der Befestigungstechnik vorgestellt.

Design model for headed studs as shear connectors under additional tensile loading
Headed studs are primarily subjected to shear when used as shear connectors in usual steel-concrete composite structures. Consequently, initial design rules for shear connectors in composite structures did not address tensile forces directly. In case of horizontally lying headed studs embedded in a thin concrete slab such as in composite bridges, the headed studs may be subjected to tensile forces. For horizontally lying studs, current design rules consider a possible failure caused by a tensile load due to pull-out by specifying geometric boundary conditions. As a consequence, relatively long shear connectors are required, which lead to uneconomical or impractical embedment lengths of the shear connectors. As meanwhile European code rules for fasteners under shear and tension (EN 1992-4) have been developed, the upcoming Eurocode 4 refers to them for the design of shear connectors under combined tension and shear in composite structures. The fastening technology allows a direct design for tensile loading for different failure mechanisms, considering the influence of the reinforcement and concrete strength. Following this idea, this paper presents a design model for shear connectors in steel-concrete composite structures under additional tensile loading based on experimental and numerical investigations considering recent developments in fastening technology.

Aktuelles:
Schnellstart der Stahlbaumontage für die neue Rheinbrücke Leverkusen im zweiten Anlauf
Durchschnittliche BDSV-Lagerverkaufspreise für Stahlschrottsorten in Deutschland

Persönliches:
Wolfgang Eilzer zum 65. Geburtstag

Wettbewerbe:
Bei der Nominierung zum Deutschen Nachhaltigkeitspreis Architektur spielt Technik keine Rolle

Tagungen & Veranstaltungen:
Fachtag Brückenbau 2021: Mehr Eigenverantwortung für Ingenieure
3. Symposium Ingenieurbaukunst - Design for Construction am 18. November 2021 in Frankfurt: Wie bauen wir zirkulär?

Rezension:
Atlas Tragwerke, Strukturprinzipien - Spannweiten - Inspirationen

ÖSTV news:
Neue ÖSTV-Broschüre Nachhaltig Stahlbau

Einen Besuch wert:
Schwebendes Depot Albertinum Dresden

Zwei Stahlfachwerkbrücken über die Salzach wurden auf der Strecke der Österreichischen Bundesbahnen (ÖBB) von Salzburg nach Wörgl durch einen Rahmen aus Verbundfertigteilträgern erneuert. Die Verbundkonstruktion wurde gewählt, um die Baumaßnahme in kurzen Sperrzeiten der hoch belasteten Bahnstrecke abwickeln zu können. Im Zuge der Maßnahmen des Baus der Bahnbrücke wurden eine Radwegunterführung als Stahlbetonrahmen unter der Bahn und eine Fuß- und Radwegbrücke über die Salzach ebenfalls neu gebaut. Der Aufsatz beschreibt die beiden Verbundbauwerke in ihrer Konstruktion und die Erfahrungen beim Bau der Brücken.

Railway viaduct nearby Schwarzach/St. Veit - Challanges by the realisation of a 46 m long VFT composite frame.
In the railway link of the Austrian Federal Railways (ÖBB) from Salzburg to Wörgl two trasswork bridges out of steel over the river Salzach were renewed by a frame construction out of prefabricated composite girders. This composite construction has been chosen to realize the construction work in the short track possessions of the high-stressed railway link. In the scope of the reconstruction of the railway viaduct also a cyclist underpass as a reinforced concrete frame beneath the railway and a pedestrian and cyclist viaduct over the river Salzach have to been rebuilt . The article describes the two composite constructions due to their constructional details and the experiences by building the bridges.

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